发电机内冷水技术说明.docx
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发电机内冷水技术说明
NLS-01型发电机内冷水优化处理装置
技术规范书
一、技术规范
二、供货范围
三、发电机内冷水优化调节
一、技术规范
华北电力科学研究院有限责任公司生产的NLS-01型发电机内冷水优化处理装置具有如下特点：
1．装置功能
（1）系统出水PH为8.0-9.0。
能彻底解决发电机内冷水铜导线腐蚀问题。
（内冷水系统PH值是一个非常重要的指标，只有当内冷水中的PH值达8.0以上时才能防止铜腐蚀，而当PH值小于8.0，铜腐蚀仍在发生，这时铜的测定结果也许较低，但这是因为铜离子可能在线棒内已沉积，从而造成不腐蚀的假象，这种现象在运行一段时间后，可能造成温度偏高甚至引起发电机故障，这最危险的。
为此华北电科院经过近两年的精心研究，开发出NLS-01型发电机内冷水优化处理装置，这套装置能净化水质，同时能自动进行PH值调整，确保PH值在8.0-9.0，这套装置模仿采用德国西门子内冷水净化系统技术，已在国外应用多年，我国华能邯峰电厂有成功的应用效果。
NLS-01型发电机内冷水优化处理装置自从2005年底在华北电网推出以来，得到各发电厂的高度评价；装置已在大唐国际的张家口电厂1号至8号机组、盘山电厂4号机组；唐山的丰润电厂3号和首钢电力厂的1号至3号上成功应用、目前王滩电厂的2台机组和岱海电厂的2台机组正在进行内冷水加装优化处理装置改造方案，在2007年机组检修时安装NLS-01型发电机内冷水优化处理装置。
（2）采用NLS-01型发电机内冷水优化处理装置，内冷水系统的电导率稳定在1.0-2.0μs/cm。
可符合DL/T801－2002要求。
（3）冷却水中的铜离子含量维持在10μg/L以下。
（4）NLS-01型发电机内冷水优化处理装置是由一套混合离子交换器和一套自动加碱调节PH值组成，同时配有在线电导率仪和PH值表计。
所有装置和管道连接均采用不锈钢；为了防止树脂进入系统，在混合离子交换器出口加装树脂捕捉器（材质为不锈钢）；混合离子交换器内装填经过特殊处理的离子交换树脂。
（5）在线化学监督仪表采用先进的在线化学仪表。
可满足如下要求：
1）pH表基本误差≤0.02PH、电导率表基本误差≤±0.5FS。
2）具有防程序跑飞功能，确保仪器不会死机。
3）具有历史数据查询功能，可连续存贮一个月的测量数据。
4）具有上下限报警功能和4~20mA隔离电流输出，并且其输出下限和输出满度在仪表测量范围内可随意设定。
5）具有背光功能，可在光线不足的环境下使用。
发电机内冷水超净化装置技术要求
（6）在正常运行情况下，交换器运行周期为2年以上。
（7）NLS-01型发电机内冷水优化处理装置安装的所有法兰接口均采用聚四氟乙烯垫。
焊接全部采用氩弧焊。
2．资料及图纸
（1）我公司将根据需方提供的现有处理系统图及相关水质资料，设计系统图；编制《发电机内冷水优化处理系统改造方案》。
（2）我公司在NLS-01型发电机内冷水优化处理装置投运后并在内冷水系统稳定运行后提交整个改造工程的相关资料，包括安装系统图、调试记录及报告、系统运行维护操作手册、监测仪表说明书等。
二．供货范围
1、提供内冷水优化处理装置及附属设备，清单如下
序号
名称
规格
数量
材质
1
净化装置及附属管材、阀门、树脂等
型号：
NLS-01
交换器Ф500；出力10吨/时，设计压力：
0.6Mpa;设计温度:
100℃。
1套
不锈钢
2
树脂捕捉器
与混合离子交换器配套。
1台
不锈钢
3
仪表柜
1个
4
有关在线化学仪表
根据需要
5
数显表
1块
2．安装说明
（1）在水冷器出口滤网之后，发电机进水压力调整门之前内冷水母管上开口，用φ32不锈钢管道与离子交换器进口管道连接。
（2）在水冷箱顶部开口，安装法兰短管，用φ32不锈钢管与离子交换器出口管道连接。
（3）在内冷水箱除盐水补水管上开DN25口，用φ32不锈钢管与离子交换器进水管连接。
（4）供方指导内冷水超净化处理系统的安装。
（5）供方负责对电厂运行、检修维护人员的技术培训。
（6）供方负责新系统的调试工作。
三．发电机内冷水的优化调节
1．前言
发电机的定子和转子绕组除发电外，还要放出热。
在发电机绕组的运行过程中，由于绕组的结构紧凑，单位功率高，必须要始终加强对绕组的冷却，以往大多采用空冷和氢冷，目前国内大多采用水氢氢冷却方式。
2．水内冷绕组和内冷水系统
水内冷绕组的铜导线均制成空心导线，冷却水能直接流过。
定子绕组由大量的定子线棒组成，定子线棒由许多独立的导线组成并紧密地挤压在一个绝缘壳内。
一般情况下，每三极独立导线中就有一根是空心的，其空心断面约在6或12mm2之间（取决于发电机的型式），空心独立导线内水流速为1～2m/s。
定子绕组的冷却水从水箱经过电动泵、冷却器、过滤器和汇集管进入定子绕组，然后从定子绕组回到水箱，冷却水通过过滤器后，有约2～5%的水分流至混床进行处理。
3．内冷水运行防止铜线棒腐蚀的机理
中性运行工况
采用定子绕组水冷却的情况下，冷却水的特性都要求达到：
（1）水的电导率低；
（2）铜材基本无腐蚀；（3）运行维修尽可能少。
由于上述要求，促使技术人员作出了采用中性运行工况，即采取低电导率纯水系统，不加入化学药剂进行内冷水处理的决定。
目前我国绝大多数的发电机组采用这种运行工况，从理论上分析，这种运行工况应该是理想的，实际运行中，如果内冷水系统水箱密封不漏入空气，当内冷水系统补入含氧的水时，氧很快附在铜表面并可以在溶解氧小于30ug/L以下时闭式运行，通过对旁路的混床处理将电导率调整至约0.1～0.2us/cm，同时还对内冷水进行机械过滤，这种方式只要系统严密，不漏入空气，可达到无故障运行。
但是，如果水箱不采取密封方式运行，或泵和阀门有漏入空气，空气则会进入内冷水系统并且会因生成氧化铜及其沉淀物而出现故障。
铜在含氧水中反应生成氧化铜，一般情况下，氧化铜在铜的表面形成了一层覆盖层，铜的腐蚀率取决于水的含氧量和pH值。
图1、图2是在模拟运行条件下和生成覆盖层的情况下，经过约10000小时的长时间试验得出的结果，从图中可知，含氧量在200ug/L和300ug/L的纯水中，铜的腐蚀率最大；pH值上升，腐蚀率降低，PH值为8.5时，铜的腐蚀率可降得非常低，可以说腐蚀被抑制了。
图3、图4为在无覆盖层形成的情况下，经试验得出的结果，在低氧化还原电位下（含氧量小于100ug/L），生成了氧化亚铜（Cu2O）；在高氧化还原电位下（含氧量大于100ug/L），首先生成氢氧化铜，但很快又变成氧化铜（CuO）；铜在水中的溶解度取决于pH值和铜的氧化物，从图4中可知，在pH值小于8的范围内，Cu2O的溶解度比CuO的溶解度低得多。
氧化铜CuO的溶解度随着pH值的降低有大幅度的增多。
而在pH值为8～9时，铜的溶解度很低，基本上保持不变，这个结果在评价内冷水碱性工况时有着非常积极的意义。
pH大于9时，铜的溶解度重新上升。
在发电机运行温度下，内冷水的最佳pH值约为8.0～9.0。
密闭的内冷水系统在平衡状态下，不会引起故障。
如果空气进入系统内，由于水吸收了二氧化碳使pH值降低，不论是铜的腐蚀率，还是Cu+、Cu2+离子的溶解量和氧化铜CuO的溶解度都会上升，同时氧化还原电位出相应上升，结果主要出现了比Cu2O溶解度高得多的CuO。
如果这时内冷水中暂时出现氧（例如补入除盐水，因除盐水中氧含量较高或短时设备构件渗漏），那么进入内冷水中的氧就会很快被消耗，水的氧化还原电位重新下降，结果是氧化铜的溶解度下降并且氧化铜作为沉积物沉淀出来，氧化铜的沉淀物容易在高涡流区域内沉积（如拆弯处、空心管的管口处、已有沉积物的地方），首先形成横向沟纹，然后其它的腐蚀产物再向上堆积，最后形成一个塞子。
如果不能及时发现堵塞，垢层在定子线棒内的非冷却导线中局部堆积，会出现导线温度过高，因此会破坏绝缘层并导致线棒熔化，严重时可导致发电机组烧毁（华能岳阳电厂就是因内冷水系统腐蚀引起空心线棒堵塞，导致超温直至发电机烧毁）。
在正常的情况下，发电机诊断系统会及时指出水流受阻情况，使发电机解列，以便采取净化措施，如反冲洗或酸洗。
由于内冷水系统的原因，内冷水的含氢量较高，会使水的氧化还原电位降至出现溶解Cu+离子还原的程度，这是在定子绕组内经常发现有金属铜含量高的垢层的主要原因（华能岳阳电厂对垢层进行了分析，发现垢层中含有大量的金属铜），因此也应采取措施除去内冷水中的氢含量。
鉴于以上原因，中性工况有腐蚀的危险性，技术人员开发了碱性除氧工况。
4．碱性除氧工况
从图1～图4中可得出，在pH值为8～9时，铜的腐蚀率很低，氧化铜的溶解度也很低，因此提出了优化发电机内冷水调节，即采用碱性除氧工况运行。
碱性除氧工况有两种方法：
（1）在内冷水中加入少量的氢氧化钠；
（2）采用钠型阳树脂处理。
在西方国家，尤其欧洲，将加少量氢氧化钠的碱性除氧工况作为一种标准方法，即在旁路的混床后用小剂量泵加入稀的氢氧化钠溶液（约1%的浓度），各项控制指标：
直接电导率（25℃）为1.5～2.0us/cm，溶解氧≤30ug/L，pH=8.0～9.0，Na=70～250ug/L，Cu≤5ug/L。
从电化学角度考虑，内冷水的电导率不应超过2us/cm，水中的氢氧化钠浓度约为70～250ug/L（以Na计），该浓度对应的pH值为8.0～9.0，溶解氧控制≤30ug/L，以保证水中的氧化还原电位在合适的范围内；如果运行维持这些控制指标，内冷水中的含铜量将≤5ug/L，一般为≤2ug/L，这样铜的腐蚀率非常低。
在欧洲国家，采用碱性除氧工况运行近三十年，定子没有发生过水流动阻碍故障。
5．目前国内发电机内冷水常规处理方式和存在的问题
5.1加铜缓蚀剂法
向冷却水中加入一定量的铜缓蚀剂，如MBT、BTA、TT等，其作用是铜缓蚀剂与水中铜离子络合生成难溶沉淀，覆盖在铜表面，形成暂时保护膜，以减缓铜基体的腐蚀。
向水中加入缓蚀剂虽然可以减轻铜腐蚀但存在许多问题：
（1）铜缓蚀剂在铜表面形成的保护膜层一般认为是单分子膜，膜层薄，易破损，防护性差，因此必须连续保持水中有一定量的缓蚀剂，否则水中铜离子含量会很快升高。
（2）缓蚀剂加入后水的电导率会升高，易造成电导超标问题，早期MBT虽然有较好的缓蚀效果，但加入后电导率经常超过5μS/cm，如果按照≤2μS/cm控制要求，内冷水指标难以合格。
因此，加MBT的方法已被绝大多数电厂淘汰。
（3）缓蚀效果欠佳：
近几年流行的加BTA类缓蚀剂虽然基本满足电导率≤2μs/Cm标准，但缓蚀效果差，一些厂未加药前Cu2+300～600μg/L，加入BTA后降为100～300μg/L，离GB/T12145-1999要求的Cu2+≤40μg/L仍有很大差距。
此外，BTA加入后水的pH会进一步降低，缓蚀效果难以达到最佳，如再加入碱性物质提高pH，又将使电导率升高，水质难以合格。
（4）安全性问题
无论加何种缓蚀剂均难使电导率、pH和几项指标同时合格，运行控制难度极大，系统中腐蚀依然较严重，腐蚀产物易在空心的铜导线中沉积形成污垢，严重时阻塞水流，使线棒超温，最终烧毁线棒，1998年华能岳阳发电厂1台362MW机组因发电机内冷水加BTA铜缓蚀剂后，各项指标难以控制而最终导致烧机事故发生，损失巨大。
基于以上多种原因，加缓蚀剂的方法技术上尚不成熟。
5.2小混床处理法
国内大多数300MW及以上机组设计中发电机内冷水的处理方法均为“小混床处理法”，小混床内装有阴阳两种离子交换树脂，分别用来除去水中的阴离子和阳离子，达到净化水质的目的。
小混床运行中存在的主要问题有4个方面：
（1）小混床本身结构设计不合理，存在一些缺陷，例如存在偏流、漏树脂、运行周期不稳定等问题，出水水质不理想。
（2）小混床内装普通型树脂，树脂中常泄漏大量低分子聚合物，对系统存在污染并使小混床出水pH偏低，系统pH常≤6.5，不符合国标规定pH≥6.8的要求。
（3）普通树脂交换容量小，需每隔3～6个月抽出树脂一次进行体外再生，不仅费时费力，而且偶尔一次再生不理想就会造成投运失败后水质严重不合格，需重新再生。
（4）小混床处理系统设计存在的问题：
系统设计中缺少一些必要的在线仪表，无法连续检测系统水质，树脂捕捉器的设置和内部结构不合理，存在树脂漏入发电机现象等问题。
由于小混床系统存在上述多种不完善和技术问题，据调查国内大多数电厂未投小混床。
5.3采用改造后的混床方式
目前国内有一些单位采用了改造后的混床方式，其出水特点为：
可以将净化装置出水的PH值提高到7.0-7.5，这种方式比前两种方式有所改进，但由于内冷水的PH值没有达到抑制铜腐蚀要求的8.0-9.0。
内冷水中的铜线棒仍处于腐蚀状态，虽然测定内冷水的铜离子可能达到了≤40μg/L，但这时铜离子可能已沉积在线棒内，这就造成已抑制腐蚀的假象；可能经过一段时间运行后，将导致水温升高甚至引起发电机故障。
6．华北电科院开发的“NLS-01型发电机内冷水优化处理装置”的特点
根据内冷水系统抑制铜线棒腐蚀的机理并模仿采纳了德国西门子技术，华北电科院经多名专家研究并开发了NLS-01型发电机内冷水优化处理化装置。
（1）系统出水PH为8.0-9.0。
能彻底解决发电机内冷水铜导线腐蚀问题。
（2）采用NLS-01型发电机内冷水优化处理装置，内冷水系统的电导率稳定在1.0-2.0μs/cm。
可符合DL/T801－2002要求。
（3）冷却水中的铜离子含量维持在10μg/L以下。
（4）NLS-01型发电机内冷水优化处理装置是由一套混合离子交换器（直径为550㎜）和一套自动加碱调节PH值组成，同时配有在线电导率仪和PH值表计。
所有装置和管道连接均采用不锈钢；为了防止树脂进入系统，在混合离子交换器出口加装树脂捕捉器（材质为不锈钢）；混合离子交换器内装填经过特殊处理的离子交换树脂。
四、张家口发电厂1号机组内冷水系统查定数据说明
4.1系统说明
张家口电厂1号机为东方汽轮机厂生产的300MW机组，1990年投产，内冷水含铜量长期大于40ug/L，今年年初大唐集团电话会上大唐公司生产技术部曾举例批评了张家口电厂内冷水水质不合格的问题，要求电厂限期解决。
今年3月张家口电厂招标内冷水优化装置，华北电科院研制的内冷水优化装置中标，5月份装置安装并投运。
4.2运行情况
内冷水优化装置从5月投运以来,各项指标均在理想的状态下运行，内冷水水质为：
PH=8.0-8.7，DD=1.0-1.6us/cm,Cu2+一般在5ug/L以下。
下面的数据为张家口电厂水班的查定数据：
分析日期
Cu2+（ug/L）
DD（us/cm）
6月13日
3.2
1.25
6月20日
14.2
1.26
6月29日
1.0
0.97
7月5日
3.3
1.13
7月12日
1.0
1.40
7月18日
1.0
1.14
8月2日
1.0
1.09
8月9日
1.0
1.07
8月16日
1.0
1.10
8月21日
1.0
0.95
8月21日至今，内冷水系统的铜含量一直均小于1ug/L.
五、应用业绩
从2006年1月以来，NLS-01型发电机内冷水优化处理装置的优越性能迅速得各发电公司的好评。
1.张家口电厂共有八台机组，1、3号已安装运行，其余2007年内全部安装使用。
2.大唐盘山电厂共有两台机组，2006年已安装并运行一台NLS-01型发电机内冷水优化处理装置。
3.唐山丰润电厂已安装并运行一台NLS-01型发电机内冷水优化处理装置
4.首钢电力厂正在安装三台NLS-01型发电机内冷水优化处理装置
5.王滩电厂已签订2台NLS-01型发电机内冷水优化处理装置
6.广东潮洲电厂已签订2台NLS-01型发电机内冷水优化处理装置
7.福建宁德电厂已签订2台NLS-01型发电机内冷水优化处理装置
8．大唐国际发电有限责任公司已将所有机组的内冷水装置改造项目定为华北电力科学研究院有限责任公司生产的NLS-01内冷水装置。
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